火力发电厂电气主接线的设计及其电气主设备的选择

课程设计说明书 题目: 大机组火电厂一次系统设计及设备选取 院（部）：
电气与信息工程学院 专业班级：
电气工程及其自动化 学 号：
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2015 年 X 月 X 日 XX大学课程设计（论文）任务书 院（部） 教研室 学号 学生姓名 专业（班级） 题目 设计 技术 参数 设计 要求 工 作 量 注：可填写说明书（论文）的字数要求或要完成的图纸数量。

工作 计划 参考 资料 指导教师签字 教研室主任签字 学生姓名：
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年 月 日 年 月 日 XX大学课程设计（论文）成绩评定表 目 录 摘要 6 第一章 设计任务书 7 1.1 设计任务 7 1.2 原始资料 7 第二章 电气主接线图 8 2.1.1 电气主接线设计的基本要求 8 2.1.2 电气主接线的设计程序 8 2.2 主接线方案的拟定、 9 第三章 短路点的计算 11 3.1 短路计算的一般规则 11 3.2 短路电流的计算 11 第四章 电气设备选择 13 4.1 电气设备选择的规则 13 4.2 电气选择的技术条件 14 4.2.1 按正常工作条件选择电气设备 14 4.2.2 按短路状态校验 15 4.3 电气设备的选择 16 4.3.1 变压器选择 16 4.3.2 断路器的选择 17 4 .3.3 隔离开关的选择 20 4.3.4 电流互感器的选择 22 第5章 设计体会及今后改进意见 24 参考文献 24 摘要 火力发电厂是电气系统的重要组成部分，也直接影响着整个系统的安全与经济运行。电气主接线是发电厂、变电站电气设计的主要部分，它表明了发电机、变压器、线路和断路器等电气设备的数量、连接方式及可能的运行方式，从而完成发电、变电、输配电的任务，它的设计，直接关系着全厂电气设备的选择和电力系统的安全、稳定、灵活和经济运行。

本次设计为装机5台，分别为供热式机组2*50MWA，凝气式机组2*150MWA,1*300MVA火电厂电气一次部分设计，通过对该火力发电厂的电力系统及负荷情况考虑，并对原始资料的分析拟定电气主接线方案，然后再进行短路电流的计算和主要电气设备的选择，从而完成了火力发电厂电气主接线的设计。

设计过程中，综合考虑了可靠性、灵活性、经济性和可发展性等多方面内容，在确保可靠性地前提下力争经济性。

关键词：电气主接线、断路器、电流互感器、短路 第一章 设计任务书 1.1 设计任务 完成火力发电厂电气主接线的设计及其电气主设备的选择；
包括变压器、断路器、电流互感器。

1.2 原始资料 火力发电厂的原始资料：
装机5台，分别为供热式机组2*50MWA ()，凝气式机组2*150MWA()，厂用电率6%,机组年利用小时。

电力负荷及与电力系统连接情况资料如下：
1、10.5kV电压级最大负荷20MW，最小负荷15MW，， 电缆馈线6回；

2、110kV电压级最大负荷250MW，最小负荷200MW，，，架空线6回;系统归算到本电厂110kV母线上的电抗标幺值（基准容量为100MV·A） 3、110kV电压级与容量为3500MW的电力系统连接，架空线6回,系统归算到本电厂1100kV母线上的电抗标幺值(基准容量为100MV·A) 电气主接线形式：220kV采用双母带旁路母线接线，110kV采用双母带旁路母线接线。

电气设备的选择：
公共部分：变压器 分组部分：大机组火电厂一次系统及设备选取 220kv旁路断路器，隔离开关，电流互感器 第二章 电气主接线图 2.1.1 电气主接线设计的基本要求 1、可靠性 安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线最基本的要求。

电气主接线的可靠性不是绝对的。同样形式的主接线对某些发电厂和变电站来说是可靠的，而对另外一些发电厂和变电站则不一定能满足可靠性要求。所以，在分析电气主接线可靠性时，要考虑发电厂和变电站在系统中的地位和作用、用户的负荷性质和类型、设备制造水平及运行经验等诸多因素。

①发电厂或变电站在电力系统中的地位和作用。

②负荷的性质和类型。

③设备的制造水平。

④长期运行实践经验。

2、灵活性 电气主接线应能适应各种运行状态，并能灵活地进行运行方式的转换。灵活性包括以下几个方面：操作的方便性、调度的方便性、扩建的方便性。

3、经济性 在设计主接线时，主要矛盾往往发生在可靠性与经济性之间。经济性主要从一下几方面考虑：节约一次投资、占地面积少、电能消耗少。

2.1.2 电气主接线的设计程序 电气主接线设计在各阶段中随着要求、任务的不同，其深度、广度也有所差异，但总的设计原则、方法和步骤基本相同。其设计步骤及内容如下。

1、对原始资料分析工程情况，包括发电机类型（凝气式火电厂、热电厂、或者堤坝式、引水式、混合式水电厂等），设计规定容量（近期、远景），单机容量及台数，最大负荷利用小时数及可能的运行方式等。

2、电力系统情况，包括电气系统近期及远景发展规划（5~10年），发电厂或变电站在电力系统的地位及作用等。

3、负荷情况，包括负荷的性质和地理位置、输电电压等级、出线回路数及输送容量等。

4、包括当地的气温、湿度、覆冰、污秽、风向、水文、地质海拔高度及地震等因素。· 2.2 主接线方案的拟定、 根据对原始资料的分析，先将各电压级可能采用的较佳方案列出，进而以优化组合方式组成最佳可比方案。

1、10kV电压级 鉴于出现回路多，且发电机单机容量为50MW，远大于有关设计规程对选用单母线分段接线每段上不宜超过12MW的规定，应确定为双母线接线形式，2台50MW机组分别接在两段母线上，剩余功率通过主变压器送往高一级电压220kV。由于两台50MW机组均介于10kV母线上，有较大的短路电流，为选择轻型电器，应在分段处加装母线电抗器，各条电缆馈线上装设出线电抗器，考虑到50MW机组为供热式机组，通常“以热定电”，机组年最大负荷小时数较低，同时由于10kV电压最大负荷20MW，远小于2*50Mw发电机装机容量，即使在发电机检修或升压变压器检修的情况下，也可保证该电压等级负荷要求。

2、110kV电压级 出线回路数大于4回，为使其出线断器检修时不停电，应采用单母线分段带旁路接线或双母线带旁路接线，以保证其供电的可靠性和灵活性。其尽显仅从10kV送来剩余容量2*50-(100*6%)+20=74MW，不能满足110kV最大负荷250MW的要求。为此，拟以2台150MW机组按发电机—变压器单元接线形式接至110kV母线上，其剩余容量或机组检修时不足容量由联络变压器与220kV接线相连，相互交换功率。

3、220kV电压级 220kV负荷容量大，其主接线是本厂向系统输送功率的主要接线方式，为保证可靠性，可能有多种接线形式，经定性分析筛选后，可选用的方案为双母线带旁路接线和一台半断路器接线，通过联络变压器与110kV和10.5kv连接。

2.3主接线图 图2-1火力发电厂主接线图 第三章 短路点的计算 3.1 短路计算的一般规则 （1）容量和接线。按工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划（一般以工程建成后5~10年）；
其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式（如切换常用变压器时的并列）。

（2）短路种类。一般按三相短路验算，若其他种类短路较三相短路严重时，则按最严重时的情况验算。

（3）计算短路点。在计算电路图中，同电位的各短路点的短路电流值均相等，但通过各支路的短路电流将随着短路点的不同位置而不同。在校验电气设备和载流导体时，必须确定出电气设备和载流导体处于最严重情况的短路点，使通过的短路电流校验值为最大。例如：
①两侧均有电源的断路器，如发电厂与系统相联系的出线断路器和发电机、变压器回路的断路器，应比较断路器前后短路时通过断路器的电流值，择其大者威短路计算点。

②母联断路器应考虑当采用母联断路器想备用母线充电时，备用母线故障，流过该备用母线的全部短路电流。

③带电抗器的出线回路由于干式电抗器工作可靠性高，且断路器与电抗器间的连线很短，故障几率小一般可选电抗器后为计算短路点，这样出线可选用轻型断路器，以节约投资。

3.2 短路电流的计算 图3-1主接线简化图1 根据戴维宁定理可以做如下电路图的简化: 图3-2主接线简化图2 图3-3主接线简化图5 根据图3-3主接线简化图3中的相关数据可做如下计算：
（即下文选择断路器以及隔离开关中的）。

第四章 电气设备选择 4.1 电气设备选择的规则 尽管电力系统中各种电气设备的作用和工作条件并不一样，具体选择方法也不完全相同，但对它们的基本要求却是一致的。电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并按短路状态来校验稳定和动稳定。

4.2 电气选择的技术条件 4.2.1 按正常工作条件选择电气设备 1、额定电压 电气设备所在电网的运行电压因调压或负荷的变化，有时会高于电网的额定电压，故所选电气设备允许的最高工作电压不得低于所接电网的最高运行电压。通常，规定一般电气设备允许的最高工作电压为设备额定电压的1.1~1.5倍，而电网运行电压的波动范围，一般不超过电网额定电压的1.15倍。因此，在选择电气设备时，一般可按照电气设备的额定电压不低于装置地点电网额定电压 的条件选择，即 2、额定电流 电气设备的额定电流是指在额定环境温度 下，电气设备的长期允许电流。应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流 由于发电机、调相机和变压器在电压降低5%时，输出功率可保持不变，故其相应回路的应为发电机、调相机或变压器的额定电流的1.05倍；
若变压器有过负荷运行可能时，应按过负荷确定（1.3~2倍变压器额定电流）；
母联断路器回路一般可取母线上最大一台发电机或变压器的；
母线分段电抗器的应为母线上最大一台发电机跳闸时，保证该段母线负荷所需的电流，或最大一台发电机额定电流的50%~80%；
出现回路的除考虑正常负荷电流外，还应考虑事故时由其他回路转移过来的负荷。

3、环境条件对设备选择的影响 当电气设备安装地点的环境条件如温度、风速、污秽等级、海拔高度、地震烈度和覆冰厚度等环境条件超过一般电气设备使用条件时，应采取措施。

在工程设计时正确选择环境最高温度，对电气设备的运行的安全性和经济性至关重要。

4.2.2 按短路状态校验 1、短路热稳定校验 短路电流通过电气设备时，电气设备各部件温度（或发热效应）应不超过允许值。满足热稳定的条件为 式中：为短路电流产生的热效应；
、t分别为电气设备允许通过的热稳定电流和时间。

2、电动力稳定校验 电动力稳定是电气设备承受短路电流机械效应的能力，亦称动稳定。满足动稳定的条件为 或 式中：、分别为短路冲击电流幅值及其有效值；
、分别为电气设备允许通过的动稳定电流的幅值及其有效值。

3、短路计算时间 （1）热稳定短路计算时间。其值为继电保护动作时间和相应断路器的全开端时间之和，即 继电保护动作时间按我国电气设计有关规定：验算电气设备时宜采用后备保护动作时间；
验算裸导体宜采用主保护动作时间，如主保护有死区时，则采用能对该死区起作用的后备保护动作时间，并采用相应处的短路电流值；
验算电缆时，对电动机等直馈线应取主保护动作时间，其余值按后备保护动作时间。

断路器全开断时间包括两部分 式中：为断路器固有分闸时间；
为断路器开断时电弧持续时间。

（2）短路开断计算时间。断路器应能在动静触头刚分离时刻，可靠开断短路电流，该短路开断计算时间应为主保护时间和断路器固有分闸时间之和，即 4.3 电气设备的选择 4.3.1 变压器选择 1、单元接线的主变压器容量的确定原则 单元接线时主变压器应按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%的裕度来确定。采用扩大单元接线时，应尽可能采用分裂绕组变压器，其容量亦应按单元接线的计算原则算出的两台机容量之和来确定。

2、连接两种升高电压母线的联络变压器的确定原则 联络变压器容量应能满足两种电压网络在各种运行方式下，网络间的有功功率和无功功率交换，一般不应小于接在两种电压母线上最大一台机组的容量，以保证最大一台机组故障或检修时，通过联络变压器来满足本侧负荷的要求。

3、当300MW发电机相连并接在220kV母线的变压器 其容量应为300MW，选择型号为SSPL-150000/220的变压器两台。

参数如下：（取100MV）。均归算至表幺值体系下（下同） 变压器联结组号为Yn，d11。

4、与150MW两台发电机相连并接在110kV母线的变压器 选择四台SFPL-90000/110的变压器，四台变压器两两并联。

参数如下：
变压器的联结组号为Yn，d11。

5、三母线之间变压器 选择型号为SSPSL-150000/220的两台三相三绕组变压器并联。

参数如下：,, 4.3.2 断路器的选择 1、断路器种类和型式的选择 按照断路器采用的灭弧介质可分为油断路器（多油、少油）、压缩空气断路器、断路器、真空断路器等。

2、额定电压和电流的选择 高压断路器的额定电压和电流选择需满足 ， 式中：、分别为断路器和电网的额定电压（kV）；
、分别为断路器的额定电流和电网的最大负荷电流（A）。

3、开断电流选择 高压断路器的额定开断电流是指在额定电压下能保证正常开断的最大短路电流。高压断路器在低于额定电压下，开断电流可以提高，但由于灭弧装置接卸强度的限制，故开断电流仍有一极限值，该极限值成为极限开断电流，即高压断路器开断电流不能超过极限开断电流。

一般中小型发电厂和变电站采用中、慢速断路器，开断时间较长（），短路电流非周期分量衰减较多，可不急非周期分量影响，采用起始次暂态电流校验，即 在中大型发电厂（125MW及以上机组）和枢纽变电站使用快速保护和高速断路器，其开断时间小于0.1s，当在电源附近短路时，短路电流的分周期分量可能超过周期分量的20%，需要用短路开断时间对应的短路全电流进行校验，即 式中：为开断瞬间短路电流周期分量有效值，当开断时间小于0.1s时，；

为非周期分量衰减时间常数， ，其中的、分别为电源至短路点的等效总电抗和总电阻。

4、短路关合电流的选择 在断路器合闸之前，若线路上已存在短路故障，则在断路器合闸过程中，动、静触头间在未接触时即有巨大的短路电流通过，更容易发生触头熔焊和遭受电动力的损坏；
且断路器子关合短路电流时，不可避免地在接通后又自动跳闸，此时还要求能够切断短路电流，因此，额定关合电流时短路器的重要参数之一。为了保证断路器子关合短路时的安全，短路器的额定短路关合电流不应小于短路电流最大冲击值，即 5、短路热稳定和动稳定校验 校验式为 ， 6、旁路断路器的选择计算部分 由图3-1主接线简化图1可得知：
因此，。

根据电工手册附录相关参数，可令主保护时间，后备保护时间。

对于220kV的线路而言，其母线电压，，查阅电工手册，根据参数可选SW7-220/1500断路器，其固有分闸时间为0.04s和燃弧时间为0.06s，即， 短路热稳定计算时间为 再由图3-1主接线简化图1可算出，各发电厂对短路点的转移电抗为。相应的计算电抗为。

查电工手册附图Ⅲ-2的运算曲线可得，，, 归算至短路点处得电压级各等值电源的额定电流为：
则， 由于，不计非周期热效应，短路电流的热效应等于同周期分量热效应，即 短路开断时间为，故用校验。

冲击电流为 表4-4 断路器选择结果表 计算数据 SW7-220/1500型户外少油断路器 220kV 220kV 1270A 1500A 10.27kA 21kA 27.60kA 55kA 813.287 27.60kA 55kA 4 .3.3 隔离开关的选择 隔离开关也是发电厂和变电站中厂用的开关电气设备，一般配有电动及手动操动机构，单相或三相操作，它需与断路器配套使用。但隔离开关无灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流。

隔离开关的工作特点是在有电压、无负荷电流情况下分、合线路、其主要功能为以下3点。

（1）隔离电压。

（2）倒闸操作。

（3）分、合小电流。

表4-5 隔离开关选择结果表 计算数据 GN2-10/2000型隔离开关 220kV 10kV 1270A 2000A 10.27kA — 27.60kA — 813.287 13005 27.60kA 85kA 4.3.4 电流互感器的选择 1、电流互感器的选择依据 ⑴电流互感器选择的具体技术条件如下：
①一次回路额定电压和电流的选择。一次回路额定电压和电流应满足 ， ⑵准确级和额定容量的选择 为了保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。对测量精确度要求较高的大容量发电机和变压器、系统干线、发电企业上网电量、电网或供电企业、之间的电量交换的关口计量点，适宜用0.2级；
装于重要回路中的互感器，准确级应采用0.2~0.5级；
对供运行监视、100MW及以下发电机组的厂用电、较小用电负荷以及供电企业内部考核经济指标分析的电能表和控制盘上仪表，其电流互感器应为0.5~1级。

电流互感器的额定容量是指电流互感器在额定二次电流和额定二次阻抗下运行时，二次绕组输出的容量。由于电流互感器的额定二次电流为标么值，为了便于计算，厂家常提供电流互感器的值。

⑶热稳定和动稳定校验 ①只对本身带有一次回路导体的电流互感器进行热稳定校验。电流互感器热稳定能力常以1s允许通过的热稳定电流或一次额定电流的倍数来表示，热稳定校验式为 或 ②动稳定校验包括由同一相的电流相互作用产生的内部电动力校验，以及不同相的电流相互作用产生的外部电动力校验。显然，多匝式一次绕组主要经受内部电动力；
单匝式一次绕组不存在内部电动力，则电动力稳定性为外部电动力决定。

内部动稳定校验式为 或 式中：、分别为电流互感器的动稳定电流及动稳定电流倍数，由制造厂提供。

外部动稳定校验式为 式中：为作用于电流互感器瓷帽端部的允许力，由制造厂提供；
为电流互感器出线端至最近一个母线支柱绝缘子之间的跨距；
a为相间距离；
0.5为系数，表示互感器瓷套端部承受该跨上电动力的一半。

2、电流互感器的确定 表4-6 列出电流互感器的有关参数，并与计算数据进行比较。

表4-6 电流互感器选择结果表 计算数据 LMC-10系列电流互感器 220kV 220kV 1270A — 10.27kA — 27.60kA — 813.287 27.60kA 55kA 第5章 设计体会及今后改进意见 在本次设计中发电机的台数5台，分别为供热式机组2*50MW，凝气式机组2*150MW,1*300MW。在设计过程中，通过对拟建火力发电厂的概括以及出线方案来考虑，并通过对负荷资料的分析，从安全性、经济性、可靠性方面考虑，确定了主接线设计，然后确定了主变压器的台数、容量及型号。所设计的火电厂电气部分具有可靠性、灵活性、经济性，并能满足工程建设的要求。采用的电气主接线具有供电可靠、调度灵活、运行检修方便和可扩建发展的可能性等特点。

电气设备的选择是电气设计的主要内容之一，本次设计采用按正常工作条件进行选择，并按短路状态进行检验。即按额定电压和额定电流选择隔离开关、断路器、电流互感器的型号，并对隔离开关和断路器进行热稳定和动稳定校验。在设计过程中短路电流是按最严重的情况考虑计算的，根据所选电气设备在短路点发生短路时，短路电流大小按其两侧等效电源提供的短路电流有名值较大的进行短路校验，判定所选电气设备的型号能否满足条件。若不满足，则重新选择型号进行短路校验，直到能找出满足要求的设备型号。

改进意见：
1、由于小组成员能力有限，因此在相关设备的选择方面我们选择的设备只满足了工程计算的需求，未考虑到设备的最大可利用率及经济性。

2、此次设计只涉及了发电厂部分主接线的设计内容及设备的选型，故此次设计还算不上是一个完整的发电厂电气部分设计。若考虑到实际应用，还需考虑的因素较多。

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